KR20220153360A - Avalanche Photodetector - Google Patents

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KR20220153360A KR1020210060844A KR20210060844A KR20220153360A KR 20220153360 A KR20220153360 A KR 20220153360A KR 1020210060844 A KR1020210060844 A KR 1020210060844A KR 20210060844 A KR20210060844 A KR 20210060844A KR 20220153360 A KR20220153360 A KR 20220153360A
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김호성
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한국전자통신연구원
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Abstract

The present invention relates to an avalanche photodetector. The avalanche photodetector includes: a first electrode; and an absorption layer on the first electrode, wherein the absorption layer includes an N-type semiconductor layer, a first I-type semiconductor layer and a first P-type semiconductor layer sequentially stacked; an amplification layer, wherein the amplification layer includes the first P-type semiconductor layer, the second I-type semiconductor layer, and the second P-type semiconductor layer sequentially stacked; a second electrode on the upper surface of the first P-type semiconductor layer; and a third electrode on the second P-type semiconductor layer.

Description

에벌런치 광 검출기{Avalanche Photodetector}Avalanche Photodetector {Avalanche Photodetector}

본 발명은 InP 기반의 에벌런치 광 검출기(APD:Avalanche Photodetector)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단일 운반체 충격 이온화(single carrier impact ionization)를 이용하여 잡음(Noise)는 최소로 하고 신호(signal)만 증폭시키는 광 검출기에 관한 것이다.The present invention relates to an InP-based avalanche photodetector (APD: Avalanche Photodetector), and more particularly, by using single carrier impact ionization, noise is minimized and only a signal is detected. It relates to a photodetector that amplifies.

광통신의 전송용량을 증가시키는 방법의 한가지로 전송속도의 증대에 관한 연구개발이 국내외에서 진행되어 왔다. 전송속도가 증가하여 Gb/s급 이상이 되면 수신단 전치증폭기의 잡음이 급격히 증가하게 되어 수신감도가 떨어지는 문제점이 발생한다. 신호가 잡음보다 클수록 신호 판별시 오류를 범할 확률이 줄어들게 되므로, 잡음이 증가한다는 것은 일정한 비트 오율(BER: Bit Error Rate) 에서 광수신기로 입사하는 광신호의 출력이 증가되어야 함을 뜻하며, 이는 곧 중계기의 간격 감소로 인한 경제성의 저하를 의미한다. 이러한 수신단의 수신감도 저하를 극복하는 방법의 하나로 내부 이득을 갖는 APD를 수광소자로 사용하고자 하는 연구가 진행되어왔다.As one of the methods for increasing the transmission capacity of optical communication, research and development on the increase in transmission speed has been conducted at home and abroad. When the transmission rate increases and exceeds the Gb/s level, the noise of the preamplifier at the receiving end increases rapidly, resulting in a decrease in receiving sensitivity. As the signal is larger than the noise, the probability of making an error in discriminating the signal decreases. Therefore, increasing noise means that the output of the optical signal entering the optical receiver at a constant bit error rate (BER) must be increased. It means the decrease in economic feasibility due to the decrease in the interval between repeaters. As one of the methods for overcoming the deterioration of the reception sensitivity of the receiving end, research has been conducted to use an APD having an internal gain as a light receiving element.

APD에서 신호대 잡음비 (S/N)는 신호 증폭 과정에서 내부증폭 M 과 M을 얻는 과정에서 발생하는 잉여잡음계수 (excess noise factor) F(M)과의 밀접한 관계가 있다. 내부증폭 M이 증가하면 S/N는 증가를 하는 반면, 잉여잡음계수 F(M)이 증가하면 S/N 는 감소하게 된다. S/N 의 증가를 통한 광통신 시스템의 수신감도 향상을 위해서는 가능한 한 M 값을 크게 하여야 하나 내부증폭에 따른 F(M)도 역시 증가하게 된다.In APD, the signal-to-noise ratio (S/N) has a close relationship with the internal amplification M in the signal amplification process and the excess noise factor F(M) generated in the process of obtaining M. When the internal amplification M increases, S/N increases, whereas when the residual noise coefficient F(M) increases, S/N decreases. In order to improve reception sensitivity of an optical communication system through an increase in S/N, the M value should be increased as much as possible, but F(M) due to internal amplification also increases.

내부증폭 M은 반도체 pn 접합내에 높은 전기장 (물질에 따라 다르나 보통 10^5 V/cm 이상)을 인가하여 충분한 가속에너지를 얻은 전자(혹은 정공)가 가전대의 전자와 충돌하는 것에 의하여 새로운 전자 쌍을 생성하는 이온화 (impact ionization) 현상으로 인해 증가하게된다. 이온화 현상에 의한 내부증폭은 보통 항복 전압(avalanche breakdown voltage) 또는 에벌런치 항복(avalanche breakdown) 영역 근처에서 발생하는데, 전압을 증가시킬수록 공핍층의 부피가 증가하여 공핍층 내에서 발생하는 전자-정공쌍의 생성-재결합에 의한 전류가 암전류에 주로 기여함에 따라 잉여잡음계수 F(M) 또한 증가하게 된다.Internal amplification M generates a new pair of electrons by applying a high electric field (depends on the material, but usually more than 10^5 V/cm) to the semiconductor pn junction so that electrons (or holes) that have obtained sufficient acceleration energy collide with electrons in the valence band. It increases due to the phenomenon of impact ionization. Internal amplification by ionization usually occurs near the avalanche breakdown voltage or avalanche breakdown region. As the voltage is increased, the volume of the depletion layer increases and electron-holes generated in the depletion layer As the current due to pair generation-recombination mainly contributes to the dark current, the excess noise coefficient F(M) also increases.

기존의 APD는 내부증폭 M을 크게 하면서 잉여잡음계수 F(M)값을 크게 증가시키지 않게 이단자 반도체 pn 접합으로 구성된 APD 소자에서 물질, 구조, 도핑 및 두께 등을 최적화하는 밴드갭 공학을 이용하여 설계하였다.Conventional APDs are designed using bandgap engineering to optimize material, structure, doping, and thickness in APD devices composed of two-terminal semiconductor pn junctions so as not to greatly increase the value of the residual noise coefficient F(M) while increasing the internal amplification M. did

본 발명은 기존의 APD 소자에서 필연적으로 발생하는 전자-정공 쌍의 이온화 현상에 의해 생성된 암전류를 제거하기 위해, 단일 운반자 (전자 혹은 정공)만을 이온화 현상을 통해 내부증폭을 증가시키려는데 그 목적이 있다.The purpose of the present invention is to increase internal amplification through ionization of only a single carrier (electron or hole) in order to eliminate the dark current generated by the ionization of electron-hole pairs that inevitably occurs in conventional APD devices. have.

본 발명은 제1 전극, 상기 제1 전극 상의 흡수층, 상기 흡수층은 순차적으로 적층된 N형 반도체층, 제1 I형 반도체층, 및 제1 P형 반도체층을 포함하고, 증폭층, 상기 증폭층은 순차적으로 적층된 상기 제1 P형 반도체층, 제2 I형 반도체층, 및 제2 P형 반도체층을 포함하며;In the present invention, a first electrode, an absorption layer on the first electrode, the absorption layer including an N-type semiconductor layer, a first I-type semiconductor layer, and a first P-type semiconductor layer sequentially stacked, an amplification layer, the amplification layer includes the first P-type semiconductor layer, the second I-type semiconductor layer, and the second P-type semiconductor layer sequentially stacked;

상기 제1 P형 반도체층의 상면 상의 제2 전극, 및 상기 제2 P형 반도체층 상의 제3 전극을 포함하는 에벌런치 광 검출기이다.An avalanche photodetector including a second electrode on the upper surface of the first P-type semiconductor layer and a third electrode on the second P-type semiconductor layer.

본 발명의 개념에 따른 광 검출기는 흡수층과 증폭층을 포함함으로써, 노이즈를 제외한 신호만 선택적으로 증폭시킬 수 있다. 본 발명에 따르면, 신호 증폭에 기여하는 정공만 충격 이온화를 겪기 때문에 암전류에 의한 노이즈가 제거되고 신호만 증폭이 되는 효과가 있다.An optical detector according to the concept of the present invention includes an absorption layer and an amplification layer, so that only signals excluding noise can be selectively amplified. According to the present invention, since only holes contributing to signal amplification undergo impact ionization, noise caused by dark current is removed and only signals are amplified.

도 1은 본 발명의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명에서 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 3은 본 발명의 증폭층이 type II InP/InAlAs/InP 물질로 이루어진 n-i-n 구조일 때의 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 4은 본 발명의 증폭층이 type II InP/InAlAs/InP 물질로 이루어진 p-i-p 구조 일 때의 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 5는 본 발명의 증폭층 구조인 type II InP/InAlAs 물질로 이루어진 p-i-p 구조에서 충격 이온화가 발생할 수 있는 충분한 전기장이 생성 될 수 있는지를 보여주는 인가 전압에 따른 증폭층의 전기장을 계산한 결과이다.
1 is a cross-sectional view showing the configuration of the present invention.
2 is an energy band diagram in the present invention.
3 is an energy band diagram when the amplification layer of the present invention has a nin structure made of type II InP/InAlAs/InP materials.
4 is an energy band diagram when the amplification layer of the present invention has a pip structure made of type II InP/InAlAs/InP materials.
5 is a result of calculating the electric field of the amplification layer according to the applied voltage showing whether a sufficient electric field for impact ionization can be generated in the pip structure made of type II InP/InAlAs material, which is the amplification layer structure of the present invention.

본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.In order to fully understand the configuration and effects of the present invention, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 수정 및 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성 요소들은 설명의 편의를 위하여 그 크기가 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성 요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.The present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various forms and various modifications and changes may be applied. However, it is provided to complete the disclosure of the present invention through the description of the present embodiment, and to completely inform those skilled in the art of the scope of the invention to which the present invention belongs. In the accompanying drawings, for convenience of explanation, the size of the components is shown larger than the actual size, and the ratio of each component may be exaggerated or reduced.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 또한 본 명세서에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.Terms used in this specification are for describing embodiments and are not intended to limit the present invention. In addition, terms used in this specification may be interpreted as meanings commonly known to those skilled in the art unless otherwise defined.

명세서에서 사용되는 ‘포함한다(comprises)’ 및/또는 ‘포함하는(comprising)’은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.As used herein, 'comprises' and/or 'comprising' means that a stated component, step, operation, and/or element is the presence of one or more other components, steps, operations, and/or elements. or do not rule out additions.

본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 영역, 층 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 층이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 층을 다른 영역 또는 층과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Although terms such as first and second are used in this specification to describe various regions and layers, these regions and layers should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish certain regions or layers from other regions or layers. Parts designated with like reference numerals throughout the specification indicate like elements.

이하, 본 발명의 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings of the present invention will be described in detail. In addition, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.

도 1은 본 발명의 APD의 구성을 나타낸 단면도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 일 실시예는 제1 전극(101), 제2 전극(102), 제3 전극(103), N형 반도체층(201), 제1 I형 반도체 층(202), 제1 P형 반도체층(203), 제2 I형 반도체층(204), 제2 P형 반도체층(205)을 포함할 수 있다. 흡수층(301)은 상기 N형 반도체층(201), 제1 I형 반도체층(202) 및 제1 P형 반도체층을 포함할 수 있다. 증폭층(302)은 상기 제2 P형 반도체층(205) 및 상기 제2 I형 반도체층(204)을 포함할 수 있다. 본 발명에 있어서, I형 반도체층은 진성 반도체를 의미할 수 있다.1 is a cross-sectional view showing the configuration of an APD of the present invention. 1, an embodiment according to the present invention includes a first electrode 101, a second electrode 102, a third electrode 103, an N-type semiconductor layer 201, a first I-type semiconductor layer ( 202), a first P-type semiconductor layer 203, a second I-type semiconductor layer 204, and a second P-type semiconductor layer 205. The absorption layer 301 may include the N-type semiconductor layer 201 , the first I-type semiconductor layer 202 and the first P-type semiconductor layer. The amplification layer 302 may include the second P-type semiconductor layer 205 and the second I-type semiconductor layer 204 . In the present invention, the I-type semiconductor layer may mean an intrinsic semiconductor.

상기 제1 전극(101) 상에 상기 흡수층(301)이 배치될 수 있다. 상기 흡수층(301) 상에 상기 증폭층(302)이 배치될 수 있다. 상기 흡수층(301)은 N형 반도체층(201), 제1 I형 반도체층(202), 제1 P형 반도체층(203)이 순차적으로 적층된 구조일 수 있다. 상기 흡수층은 N-I-P 구조일 수 있다. 상기 제1 P형 반도체층(203)의 상면에 제2 전극(102)이 배치될 수 있다. 상기 증폭층(302)은 상기 제1 P형 반도체층(203), 상기 제2 I형 반도체층(204) 및 상기 제2 P형 반도체층(205)이 순차적으로 적층된 구조일 수 있다. 상기 증폭층(302)은 P-I-P 구조일 수 있다. 상기 제2 P형 반도체층(205)의 상면에 제3 전극(103)이 배치될 수 있다.The absorption layer 301 may be disposed on the first electrode 101 . The amplification layer 302 may be disposed on the absorption layer 301 . The absorption layer 301 may have a structure in which an N-type semiconductor layer 201 , a first I-type semiconductor layer 202 , and a first P-type semiconductor layer 203 are sequentially stacked. The absorption layer may have a N-I-P structure. A second electrode 102 may be disposed on an upper surface of the first P-type semiconductor layer 203 . The amplification layer 302 may have a structure in which the first P-type semiconductor layer 203 , the second I-type semiconductor layer 204 , and the second P-type semiconductor layer 205 are sequentially stacked. The amplification layer 302 may have a P-I-P structure. A third electrode 103 may be disposed on an upper surface of the second P-type semiconductor layer 205 .

상기 제1 P형 반도체층(203) 및 상기 제2 P형 반도체층(205)은 InP를 포함할 수 있다.The first P-type semiconductor layer 203 and the second P-type semiconductor layer 205 may include InP.

상기 제1 I형 반도체층(202) 및 상기 제2 I형 반도체층(204)은 InAlAs를 포함할 수 있다The first I-type semiconductor layer 202 and the second I-type semiconductor layer 204 may include InAlAs.

상기 N형 반도체층(201)은 InGaAs를 포함할 수 있다.The N-type semiconductor layer 201 may include InGaAs.

도면에 도시하지 않았으나, 상기 제1 p형 반도체층(203) 및 상기 제2 p형 반도체층(205)은 제1 n형 반도체층, 제2 n형 반도체층으로 대체될 수 있다. 이 경우 상기 제1 전극(101) 상의 상기 n형 반도체층(201)은 p형 반도체층으로 대체될 수 있다.Although not shown in the drawing, the first p-type semiconductor layer 203 and the second p-type semiconductor layer 205 may be replaced with a first n-type semiconductor layer and a second n-type semiconductor layer. In this case, the n-type semiconductor layer 201 on the first electrode 101 may be replaced with a p-type semiconductor layer.

제1 전극(101), 제2 전극(102), 제3 전극(103)에 각각 전압을 달리 가할 수 있다. 이에 따라, 흡수층(302)과 증폭층(301)에 생성되는 전기장의 세기가 별개로 조절될 수 있다. 제3 전극에 인가되는 전압은 제2 전극에 인가되는 전압보다 작으며, 제2 전극에 인가되는 전압은 제1 전극에 인가되는 전압보다 작을 수 있다. 빛이 조사되는 경우 흡수층(301)의 pn 접합에서 전자-정공 쌍은 분리되고 전자는 pn 접합의 n쪽 전극인 제1 전극(101)으으로 이동하고, 정공은 p-i-p 구조의 증폭층(302)으로 이동하게 된다. 증폭층(302)으로 이동한 정공은 제2 전극(102)과 제3 전극(103) 각각에 인가된 전압이 p-i-p 구조에 생성한된 높은 전기장에 의해 단일 운반체(Carrier)인, 즉, 정공만 충격 이온화를 통해 증폭을 하게 된다. Different voltages may be applied to the first electrode 101 , the second electrode 102 , and the third electrode 103 . Accordingly, the intensity of the electric field generated in the absorption layer 302 and the amplification layer 301 can be separately adjusted. The voltage applied to the third electrode may be less than the voltage applied to the second electrode, and the voltage applied to the second electrode may be less than the voltage applied to the first electrode. When light is irradiated, electron-hole pairs are separated from the pn junction of the absorption layer 301, electrons move to the first electrode 101, which is the n-side electrode of the pn junction, and holes pass through the amplification layer 302 of the p-i-p structure. will move to Holes moving to the amplification layer 302 are single carriers by the high electric field generated in the p-i-p structure when the voltage applied to each of the second and third electrodes 102 and 103 is a single carrier, that is, only holes It is amplified through impact ionization.

도 2는 본 발명의 동작 원리를 표현한 에너지 밴드다이어그램이다. 도 2의 에너지 밴드다이어그램에서 전기장이 표시된 부분은 증폭층, 홀(h^+)과 전자(e^-)가 표시된 부분은 흡수층이다. 도 2의 밴다이어그램은 pn 접합을 포함하는 흡수층에 역방향 바이어스 전압을 인가한 상태이며, 증폭층인 p-i-p 다이오드에는 충격이온화가 발생 할 수 있는 충분한 전압을 가한 상태를 개략적으로 나타낸 것이다. 도 2를 참조하면, 흡수층에서는 전자-정공 쌍이 형성되어 각각의 운반체가 분리되며, 증폭층에서는 증폭층에 도달한 정공이 증폭층의 전기장에 의해 가속되며 증폭된다.Figure 2 is an energy band diagram expressing the operating principle of the present invention. In the energy band diagram of FIG. 2, the portion where the electric field is indicated is the amplification layer, and the portion where holes (h^+) and electrons (e^-) are indicated is the absorption layer. The Venn diagram of FIG. 2 schematically shows a state in which a reverse bias voltage is applied to the absorption layer including a pn junction and a sufficient voltage is applied to the p-i-p diode, which is an amplification layer, to cause shock ionization. Referring to FIG. 2 , electron-hole pairs are formed in the absorption layer to separate carriers, and in the amplification layer, holes reaching the amplification layer are accelerated and amplified by the electric field of the amplification layer.

기존의 APD는 단순한 이단자로 제작이 되는 단순일한 pn 접합으로 구성되어 있으며 흡수층과 증폭층이 동일한 전압 제어에 의하여 동작하게 된다. 이로 인하여, 증폭층에서 정공이 충격이온화를 통해 신호도 증폭되는 반면, 노이즈에 기여하는 전자 또한 충격이온화를 통해 증폭이 되므로 암전류 또한 증가하게 된다. A conventional APD is composed of a simple pn junction made of a simple two-terminal, and the absorption layer and the amplification layer operate by the same voltage control. Due to this, while the signal is also amplified through impact ionization of holes in the amplification layer, dark current also increases because electrons contributing to noise are also amplified through impact ionization.

본 발명의 개념에 따른 광 검출기는 삼단자로 구성되어, 흡수층과 증폭층에 걸리는 전기장을 별개로 조절함으로써, 노이즈를 제외한 신호만 선택적으로 증폭시킬 수 있다.The photodetector according to the concept of the present invention is composed of three terminals and can selectively amplify only signals excluding noise by separately adjusting the electric fields applied to the absorption layer and the amplification layer.

도 3은 본 발명의 증폭층이 type II InP/InAlAs/InP 물질로 이루어진 n-i-n 구조일때의 에너지 밴드 다이어그램을 계산한 도면이며, 도4는 본 발명의 증폭층이 type II InP/InAlAs/InP 물질로 이루어진 p-i-p 구조일때의 에너지 밴드 다이어그램을 계산한 도면이다. n-i-n 구조에서는 전자가 다른 전극으로 이동할 때 InAlAs와 InP 물질간의 작은 band-offset 이 존재한다. 이에 반해, p-i-p 구조에서는 정공이 다른 정공으로 이동할 때 에너지 장벽이 없다. 즉, n-i-n 구조에 비해 p-i-p 구조에서 운반자가 증폭층으로 넘어가기 유리하다.3 is a diagram of an energy band diagram calculated when the amplification layer of the present invention has an n-i-n structure composed of type II InP/InAlAs/InP materials, and FIG. This is a calculated energy band diagram in the case of a p-i-p structure. In the n-i-n structure, there is a small band-offset between InAlAs and InP materials when electrons move to the other electrode. In contrast, in the p-i-p structure, there is no energy barrier when a hole moves to another hole. That is, compared to the n-i-n structure, the p-i-p structure is more advantageous in transferring the transporter to the amplification layer.

도 5는 본 발명의 증폭층 구조인 type II InP/InAlAs 물질로 이루어진 p-i-p 구조에서 인가 전압에 따라 전기장을 계산한 결과이다. 1 V 전압 이상을 인가하면 충격 이온화가 발생할 수 있는 충분한 전기장 (InAlAs 물질의 경우 5 × 10^5 V/cm 이상) 이 생성 될 수 있음을 보여준다.5 is a result of calculating an electric field according to an applied voltage in a p-i-p structure made of type II InP/InAlAs material, which is an amplification layer structure of the present invention. It is shown that applying a voltage higher than 1 V can generate a sufficient electric field (more than 5 × 10^5 V/cm for InAlAs material) for impact ionization to occur.

APD에서 신호대 잡음비 (S/N)는 신호 증폭 과정에서 내부증폭 M 과 M을 얻는 과정에서 발생하는 잉여잡음계수 (excess noise factor) F(M)과의 밀접한 관계가 있다. 내부증폭 M이 증가하면 S/N는 증가를 하는 반면, 잉여잡음계수 F(M)이 증가하면 S/N 는 감소하게 된다. S/N 의 증가를 통한 광통신 시스템의 수신감도 향상을 위해서는 가능한 한 M 값을 크게 하여야 하나 내부증폭에 따른 F(M)도 역시 증가하게 된다.In APD, the signal-to-noise ratio (S/N) has a close relationship with the internal amplification M in the signal amplification process and the excess noise factor F(M) generated in the process of obtaining M. When the internal amplification M increases, S/N increases, whereas when the residual noise coefficient F(M) increases, S/N decreases. In order to improve reception sensitivity of an optical communication system through an increase in S/N, the M value should be increased as much as possible, but F(M) due to internal amplification also increases.

내부증폭 M은 반도체 pn 접합내에 높은 전기장 (물질에 따라 다르나 보통 10^5 V/cm 이상)을 인가하여 충분한 가속에너지를 얻은 전자(혹은 정공)가 가전대의 전자와 충돌하는 것에 의하여 새로운 전자 쌍을 생성하는 이온화 (impact ionization) 현상으로 인해 증가하게된다. 이온화 현상에 의한 내부증폭은 보통 항복 전압(avalanche breakdown voltage) 또는 에벌런치 항복(avalanche breakdown) 영역 근처에서 발생하는데, 전압을 증가시킬수록 공핍층의 부피가 증가하여 공핍층 내에서 발생하는 전자-정공쌍의 생성-재결합에 의한 전류가 암전류에 주로 기여함에 따라 잉여잡음계수 F(M) 또한 증가하게 된다.Internal amplification M generates a new pair of electrons by applying a high electric field (depends on the material, but usually more than 10^5 V/cm) to the semiconductor pn junction so that electrons (or holes) that have obtained sufficient acceleration energy collide with electrons in the valence band. It increases due to the phenomenon of impact ionization. Internal amplification by ionization usually occurs near the avalanche breakdown voltage or avalanche breakdown region. As the voltage is increased, the volume of the depletion layer increases and electron-holes generated in the depletion layer As the current due to pair generation-recombination mainly contributes to the dark current, the excess noise coefficient F(M) also increases.

기존의 APD는 내부증폭 M을 크게 하면서 잉여잡음계수 F(M)값을 크게 증가시키지 않게 이단자 반도체 pn 접합으로 구성된 APD 소자에서 물질, 구조, 도핑 및 두께 등을 최적화하는 밴드갭 공학을 이용하여 설계하였다.Conventional APDs are designed using bandgap engineering to optimize material, structure, doping, and thickness in APD devices composed of two-terminal semiconductor pn junctions so as not to greatly increase the value of the residual noise coefficient F(M) while increasing the internal amplification M. did

이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Although the embodiments of the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, those skilled in the art can implement the present invention in other specific forms without changing its technical spirit or essential features. You will understand that there is Therefore, the embodiments described above should be understood as illustrative in all respects and not limiting.

301: 흡수층
302: 증폭층
101: 제1 전극
102: 제2 전극
103:제3 전극
301: absorption layer
302: amplification layer
101: first electrode
102: second electrode
103: third electrode

Claims (1)

제1 전극;
상기 제1 전극 상의 흡수층, 상기 흡수층은 순차적으로 적층된 N형 반도체층, 제1 I형 반도체층, 및 제1 P형 반도체층을 포함하고;
증폭층, 상기 증폭층은 순차적으로 적층된 상기 제1 P형 반도체층, 제2 I형 반도체층, 및 제2 P형 반도체층을 포함하며;
상기 제1 P형 반도체층의 상면 상의 제2 전극; 및
상기 제2 P형 반도체층 상의 제3 전극을 포함하는 에벌런치 광 검출기.
a first electrode;
an absorption layer on the first electrode, the absorption layer including an N-type semiconductor layer, a first I-type semiconductor layer, and a first P-type semiconductor layer sequentially stacked;
an amplification layer, the amplification layer including the first P-type semiconductor layer, the second I-type semiconductor layer, and the second P-type semiconductor layer sequentially stacked;
a second electrode on the upper surface of the first P-type semiconductor layer; and
An avalanche photodetector comprising a third electrode on the second P-type semiconductor layer.
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